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如何用最低的勘探成本 評估頁巖儲層的開采潛力

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頁巖層一般呈低孔、低滲透率的物性特征,氣流的阻力比常規天然氣大,因此所有生產井基本都需要實施儲層壓裂改造技術。同時,頁巖氣采收率要明顯低于常規天然氣的采收率,常規天然氣采收率在60%以上,而頁巖氣僅為5%~60%。因此,低采收效益一直都影響著人們對它的熱衷度,本文就如何降低頁巖氣的開采成本與提高其應用前景展開了討論。

頁巖氣是指賦存于富含有機質的泥頁巖及其夾層中,以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣,以甲烷為主要成分,是一種清潔、高效的能源原料。

諸如Jackson等不被人們廣為所知的氣田,如果可以找到其“甜點區”,可能會探索到較高的商業價值。本文所提及的方法就是在成本相對較低情況下展開的。待開發頁巖層的勘探價值只能通過測試分析才能確定,尤其對于缺乏化學參數的儲層必須要測試其干酪根與總有機化合物的含量水平以及地質成熟度的測試才可判定其開采價值。石油圈原創www.h29736.cn

伴隨著油氣價格下跌,開發商們尤其是那些私營企業就必須想方設法通過縮減成本來保證其經濟效益。本文主要論述的就是在分析鮮為人知的頁巖氣勘探前景時如何降低勘探評估成本。

近期,即使頁巖氣開發方面取得了新突破,油氣價格過低也使得許多區塊的開采仍是舉步維艱。大部分研究進展主要集中于鉆井和生產方面,而勘探就相對忽視一些。大量未開發、不知名的頁巖氣田尚待發掘。

多數質量較差或未探測的頁巖氣層在本質上是具備商業價值的,但為了去評估區塊的開發潛力,通常需要對這些區塊的化學組成和成熟度開展有針對性的研究,這些工作費用高而且異常耗時。大部分數據是通過鉆井取心、巖樣、測井等方式來獲得,與此同時也增加了鉆井成本。

這些費用在很大程度上限制了那些待測區塊的勘探鉆進進程,也因此就無法獲得相關數據開展研究。

待開發潛力

Jackson頁巖層位于Frio Vicksburg砂巖下部、Yegua層上部。該層位從德克薩斯州的本德堡縣延伸至佛羅里達州杜瓦爾縣,共3000-7000英尺,層位厚度高達3500英尺。該層位已打了上千口井眼,并由此獲得了大量的測井數據。石油圈原創www.h29736.cn

然而,到目前為止,開發商們仍未確定Jackson頁巖層的開采潛力。在泥質砂巖互層(Tinney 和Hockley)的儲層中只完成了少部分的井,并且大多數結果顯示這些油氣儲量都是沒有經濟價值的。但其確實存在“甜點區”,本文主要講述如何利用所測數據來尋找“甜點區”。

鉆一口深7000英尺的常規井,包括壓裂在內大概花費700,000美元左右(鉆井和完井)。一般,其初期產量約為50-100桶/天,同時開發商還需要考慮通過鉆水平分支井與多次壓裂來達到增產的目的,因此其首要任務是搞清楚頁巖層的化學組成。

公用數據

為了確定“甜點區”,電阻率和自然電位測井數據是必不可少的,對此,鉆一口井徑1英寸的井眼就可以完成。在墨西哥灣,所有實施過測井的井眼也都能提供這些曲線。除此之外,伽馬測井、密度測井、中子測井與聲波測井等數據能對地層特性進行更詳盡的描述與評價。

鉆探頁巖層過程中若井被堵塞成為報廢井將使該區塊喪失勘探前景。對于較深的生產井而言,在目的層位下入套管并在尚未阻塞井眼位置處進行射孔和試井,可以獲得更有效的數據。

本文提及的應用地質原理評價儲層的方法,在過去50年已經在砂巖儲層中得到了很好的驗證,只是現在將其運用在頁巖油氣的評估中。石油圈原創www.h29736.cn

溫壓關系

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一般,鉆井工程師通過繪圖法(圖2)來預測地層壓力,而地質學家們則以此判定儲層溫壓相關性(P/T)。在此處,該方法也被用來評估墨西哥灣海岸的Plio-Miocene儲層的商業價值。圖3為墨西哥灣P/T相關性,現在也可用來判斷Jackson頁巖是否具有商業開采價值。

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P/T關系曲線一般都是通過測井曲線推導得到的,并伴隨著近年來油氣價格的波動而不斷更新。從圖3中可以看出,除極個別點外,隨著溫度的升高,壓力值逐漸降低。在曲線圖上溫度或壓力的下降點都指示該區域沒有開采價值。

由測井曲線可得到其對應的溫度值,并可在圖3中找出整個曲線上的最大泥漿比重。據此,可在圖2中找出對應的泥巖深度,還可從中確定落在曲線上的P/T位置(圖3)。任何落在圖2藍色區域的點都是沒有開采價值的,據此可判斷頁巖層系是否具有開采價值。

過去,溫壓關系只可用在砂巖層中預測儲量,而這項研究將此法延伸至頁巖儲層中判定其開發潛力。

迄今為止,由于Jackson頁巖的利潤低且未開展大規模的測試活動,因此現有的有效數據十分有限?;诖?,人們更加重視對現有數據的有效利用。

Wharton County實驗

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判斷Jackson頁巖是否具開采價值的必備數據為通過測井實驗獲取的電阻率-深度曲線圖(圖2)。為此,在Wharton County地區開鉆了一口測試井(橫穿Frio與Yegua油氣產層),并得到了其測井曲線(圖4,A井)。德克薩斯鐵路委員會(TRC)將這口井列為停產井。若通過此項測試分析發現Jackson頁巖具有開發潛力,那么該層位將可開展測試分析研究。Jackson層與Yegua層頂部深度分別為5930英尺和7400英尺。

這口井的壓力異常過渡段起于Jackson頁巖頂部即5900英尺深度處,直至地下7000英尺處。從圖3可看出,該過渡段極具商業開采價值,其孔隙壓力當量密度為11.5磅/加侖,屬中等地層壓力。此外,孔隙壓力超壓地區也顯示有油氣存在,并且孔隙壓力的大小也是表征儲層產能的特性參數之一。

Yegua頁巖層在7000-8800英尺井段處P/T值減?。▓D2藍色部分),而其更深位置處則不再具有商業價值。在Jackson層底部7220-7239英尺處進行射孔檢測到有少量石油的存在,但其并沒有開采價值,這主要是因為此處油氣基本上都為殘余油。

該方法的另一個作用是判斷典型頁巖層中是否含有粉砂巖或灰質夾層,其中自然電位與伽馬測井曲線對此判定方法非常有用。這些夾層頂底處的頁巖層屬于致密的非滲透層,因此可認為是這些夾層的烴源巖。根據測井解釋原理,密度或聲波測井數據可確定巖層的孔隙度與飽和度,也可用來判斷該區塊的油氣特性。

圖4為具有開采價值的Jackson頁巖層段的感應測井曲線圖,則根據此圖可得到該層位的泥巖含量分布曲線圖(圖2)。在圖4中由于測井本身的故障,此項自然電位曲線數據無法采用,但其可由伽馬曲線間接計算得到。Jackson地層6060-6600英尺井段極具開采價值,其內部存在約55英尺厚的粉砂質/灰質含油氣夾層,而這些夾層都可成為儲層,并可作為油氣從Jackson層流向井眼的運移通道。

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當下,問題的核心在于如何將這些薄且低孔低滲夾層中的油氣全部開采出來。若開發合理,則根據以往經驗保守估計,對于一個30英尺厚的油藏向地下注水40公頃時其大約可開采95,000桶原油或5億立方英尺天然氣(孔隙度為15%,含水飽和度為50%)。圖5是近期在Wharton County區域附近鉆探的B井測井曲線。從圖4中可看出,待測Jackson砂巖7130-7150英尺井段是與已測Jackson砂巖7220-7239英尺井段相對應的。同時,該儲層的射孔情況與測試結果并不是很理想。此外,Wharton County區域 B井的泥巖數據(圖6)表明該層段沒有商業開采價值,Jackson層段只在6800英尺深度以上位置才具有開采價值。

Jackson頁巖開發

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圖7為德克薩斯州Duval縣A井測井曲線圖,從圖中可看到Jackson頁巖頂部位于4950英尺處。同時,圖中標注了4950-5360英尺井段位置處其電阻率降低,這表明了其地層壓力與深度成正相關關系。

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圖8展示了泥巖電阻率曲線與P/T曲線的交叉分布。當相對應的泥巖電阻率曲線值低于P/T曲線值時,表明整段地層均具有開采價值,而且在5300英尺深度處存在30英尺厚的夾層。除此之外,圖中自然電位曲線的缺失表明該層段的滲透率偏低。然而,這口井在Jackson層段的所有特征參數都表明其有開發潛力。在該井5312-5318英尺處的粉砂質頁巖層進行射孔增產措施,當初期測試壓力為525psi時10/64英寸井眼產油量為126桶/天,預計這口井總產量為98140桶。

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Duvall County B井(圖9)測井曲線與A井曲線(圖7)相似。同時,該兩口井的泥巖曲線形態也十分相近(圖8和圖10)。石油圈原創www.h29736.cn

在該井測試曲線(圖9)中增加了地層伽馬測試,很好地提高了測井解釋的準確性。同時,自然電位與伽馬曲線的結合使粉砂質夾層的識別更加簡單。同時,此曲線還顯示其前景區含有較差的砂泥巖交互層,使得其自然電位值變小。然而,即使其內含有粉質與細粒度巖石,但其存在一定的滲透率。不過,對于大多數Jackson井而言,還是必須需要實施壓裂增產措施。

投資潛力

目前,關于探索Jackson頁巖開發潛力的有限數據甚少,并且僅有的數據也并不是很理想。因此,本文所提供的研究方法即為判斷Jackson頁巖層是否有開采價值的最佳經濟方案。通常情況下,在Jackson頁巖層段進行射孔或鉆至干井時就已經停止鉆進了,這可能是因為鉆井距離過小以至于忽略了Jackson層段上部的Frio剖面。下文就簡單列舉了后一種情況。

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圖11和12分別為20世紀70年代德克薩斯州Goliad County區域1英寸與5英寸鉆探井(包括聲波測井)的測井曲線。由于當時井眼條件的局限性,在測井之后有輕微的井噴現象出現,因此并未接著下套管,該井也成為了報廢井。在Frio淺部自下向上射孔獲得的測井曲線指示出有三個天然氣氣藏,并且該結論也由密度-中子測井曲線得到了證實。同時,井段4306-4310英尺處的Jackson層可能含有油氣,該結論也經由聲波測井曲線呈現出周波跳躍的現象得到了驗證,因此該區域將會進入開發階段。石油圈原創www.h29736.cn

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從上圖可觀察到,4355英尺深度以下由于泥巖中含有氣體,導致聲波測井曲線出現周波跳躍現象,并且通過Jackson剖面得到的數據也證實了油氣的存在;對于井段4100-4600英尺處,通過泥巖電阻率曲線可觀察到其具有開發潛力;4200-4355英尺井段的自然電位、電阻率測井和聲波測井曲線都表征該段具有很好的開發潛力。據估計其總產量為52380桶原油或5.7984億立方英尺天然氣(圖13)。

對于凈厚度為155英尺的儲層來講,其內部2-4英尺厚的夾層難以增產,因此本井段無法通過壓裂措施來達到其增產的目的,但是一個好的解決方案或許能給在頁巖氣研究方面無所成就的開發人員提供一個絕佳的機會。

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圖14為Goliad County井的測井聲波數據和電阻率數據的交會圖,其中包括了Frio層段以及Jackson層段頂部至3450英尺深度的層段。圖中的實心圓圈指示為Jackson層,并且在含水飽和度小于45%時其值開始減小。據此可以粗略估計粉砂質夾層的含水飽和度。

由測井曲線得到的地層壓力和溫度為本文的判定方法提供了基礎參數。本判斷方法的正確性主要取決于鉆進與測井的成功率??傊?,這個方法為待測區域提供了一個全新的、低成本的評估開采潛力的有效方案。

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